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美国为何只用3年就造出了空间核电源kilopower?

核电源 核动力 核反应堆
发布:2020-09-27 15:07:01     来源:嘿嘿能源

Kilopower项目是由NASA的空间技术任务理事会(Space Technology Mission Directorate)/颠覆性技术发展计划(Game Changing Development Program)在2015年度发起的,该项目旨在开发和测试用于行星表面的小型裂变堆系统,在3年内用低于2000万美元成本限制内尽可能地原型堆(KRUSTY)的建造和测试。2018年3月,Kilopower原型堆如期通过满功率以及各种事故工况的测试,成为美国40多年来真正意义上的新型空间反应堆概念的首次地面测试。

一、 清晰的需求定位

可靠、长寿命的动力系统是任何空间探索任务的基本要求之一。几十年来,美国国家航空航天局(NASA)一直依靠以钚-238为基础的放射性同位素动力系统来执行像“先驱”、“旅行者”、“伽利略”和“卡西尼”这样的深空任务,在这些任务中,太阳能并不是一个可行的选择。同位素电池为任务提供可靠和轻便的电源,功率在100W(电功率)到1-kW(电功)范围内。

小型裂变堆系统(1-10 kWe)正在被用于解决NASA动力组合中的一个主要缺口。Kilopower即是在此背景下诞生,它在NASA功率组合中的作用如图1所示。一种小型的1- 10千瓦级裂变堆可以实现未来可能无法实现的旗舰科学任务和勘探先导任务。相比大型裂变堆系统,其实现的可能性也更大。

二、 极简的设计理念

自从1960年代的核辅助动力系统(SNAP)计划以来,美国的太空裂变动力开发一直是失败的,它花费了数十亿美元,却没有任何实际成果。原因在于目标过于宏大,设计过于复杂,研发成本过高。

也就是说,成功之路还不够简单。对于任何首创的工程项目而言,简单性都是至关重要的,这不一定意味着找到最简单的设计,而是找到通过设计,开发,制造,安全和测试的最简单路径。这看起来似乎很明显,但是工程师常常为了提高性能而付出太多努力,而牺牲了项目的成功。除了“保持简单,愚蠢(KISS)”原则之外,KRUSTY团队的日常口头禅是“最好是足够好的敌人”,而“足够好”是一个成功的示范,它将满足NASA并进一步增加其兴趣发展空间裂变堆。

KRUSTY的前身是从DUFF实验开始,这是一个简单的步骤,以证明无论采取多小的积极步骤都可以使空间裂变堆向前发展。DUFF使用现有的反应堆,简单的热管,在最初设想后的不到6个月内以不到100万美元的价格完成。在此基础上,完成了5千瓦热功率的Kilopower太空反应堆的原型堆KRUSTY。它极简的设计原则消除了很多技术风险:

1)使用可以快速、经济地购买的燃料形式。唯一可行的途径是使用UMo燃料形式。

2)使用具有经验丰富的运营经验、安全和合规团队的现有运营设施。唯一可行的选择是使用内华达国家安全站(NNSS)。

3)使用现有的关键装配机进行主动反应性插入和移除。发现NCERC机器COMET具有足够的质量和线性平移能力,从而消除了新的反应性控制系统的成本和进度风险。

4)提供足够的安全和资产风险(机器,房间,设施)。选择约5 kW(热)的功率水平,使其与以前的Flattop和DUFF操作保持一致。

5)使用易于允许在现有/批准的容器中运输的核心尺寸。

三、 跨部门的通力合作

美国NASA、DOE、国家实验室、私营企业等不同部门、甚至是不同体制的单位都参与到了Kilopower的原型堆KRUSTY设计与建造过程。美国宇航局的格伦研究中心(GRC)领导了这项测试的设计工作。GRC还建造并演示了KRUSTY的工厂传热、能量转换和散热部分的平衡系统。

NASA的马歇尔太空飞行中心(MSFC)为GRC的非核试验开发了电子反应堆模拟热源和核试验的屏蔽。美国能源部(DOE)洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)领导了反应堆的设计并进行了有核试验,美国能源部的Y-12国家安全机构制造了高浓缩铀(HEU)反应堆的堆芯,先进的热管技术通过NASA企业创新研究合同获得,斯特林发电机由Sunpower公司提供。内华达州核安全基地为核装置试验提供了支持。Kilopower的原型堆建造测试如此之快,得益于各部门间的通力合作。

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